CN102620817A

CN102620817A - 一种高功率激光光束取样器及高功率激光光束测量系统

Info

Publication number: CN102620817A
Application number: CN2012100799871A
Authority: CN
Inventors: 吴勇; 杨鹏翎; 陈绍武; 王平; 王振宝; 武俊杰; 刘福华; 冯国斌; 叶锡生
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: CN102620817B

Abstract

本发明公开了一种高功率激光光束取样器及高功率激光光束测量系统，取样器包括多根光纤和层叠排布的介质平板，介质平板上加工多个并行排布的L形凹槽阵列，光纤设置在L形凹槽内，光纤入射端迎着激光入射方向，输出端偏离激光光束。测量系统包括高功率激光光束取样器、多个探测器、信号处理电路和数据采集处理单元。测量系统中采用介质板叠加并压紧光纤的方法，避免了涂覆材料或胶等有机物对激光的吸收导致取样器的损坏，提高了取样器的抗激光损伤阈值，同时在应用中绝大部分激光透射，只对少部分光束进行取样，降低了系统承受激光辐照的要求，且后续的光束可以再次利用。

Description

一种高功率激光光束取样器及高功率激光光束测量系统

技术领域

本发明涉及一种高功率激光光束取样器及高功率激光光束测量系统，尤其是一种应用光纤阵列对高功率激光进行取样和测量的取样器及测量系统。

背景技术

高功率激光的输出功率高达数万瓦或数十万瓦，其远场光束直径可达数十厘米，由于其破坏力较强，使得光强分布参数的测量成为一个技术难题。常用的高功率激光强度时空分布测量方法主要有机械扫描取样法和光电阵列探测法等。2001年的中国专利ZL02114633.0发明了一种基于机械扫描取样法的高功率激光光束测量取样器，采用环形光反射器将激光束反射至探测器阵列进行测量，由于取样器只对部分激光束进行取样，绝大部分激光透射，故具有承受激光辐照能力强的特点，但是在测量大光斑激光时扫描结构复杂、对实验环境有一定要求，限制了其应用范围。

2011年第7期《中国激光》“中红外激光光斑探测阵列”上公开了一种测量中红外激光光斑的光电阵列靶斑仪，采用石墨热吸收单元和光电探测器阵列实现激光参数的测量，具有原理及结构简单，能对强激光光斑分布直接测量，各探测单元之间相互独立并易于模块化集成等优点，但是该方法的不足之处在于石墨吸收单元需要吸收全部的激光能量，由于石墨材料热承受能力有限，在强激光辐照下将会出现表面退火损伤，表面吸收率发生变化，影响到多次测量的一致性，在更高功率和长时间激光辐照下，甚至出现石墨损坏，使其难以应用在更高功率和更长时间下的激光参数测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有光电阵列探测法存在承受激光辐照能力不佳，难以应用到高功率和高能量激光测量的不足，提供一种基于光纤阵列的高功率激光取样及测量方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高功率激光光束取样器，其特殊之处在于：包括多根光纤和多个沿激光入射方向平行且层叠排布的介质平板；所述相邻介质平板间设置有多个并行排布的带圆弧过渡的L形凹槽；所述多根光纤分别设置在相应的L形凹槽内；所述光纤包括入射端和输出端，其入射端迎着激光入射方向，其输出端与取样器外部的探测器相连；所述光纤为去除涂敷层的裸光纤；所述的介质平板和光纤对激光高透射。

上述的L形凹槽横截面为V形或U型，所述光纤在L形凹槽内的高度不低于L形凹槽上沿，所述光纤被相邻的介质平板压紧固定在L形凹槽内。

上述的L形凹槽横截面为V形或U型，所述光纤在L形凹槽内的高度低于L形凹槽上沿，所述光纤的输出端固定在L形凹槽的边沿上或介质平板的侧面上。

上述的L形凹槽在介质平板工作面上为等间距排列。

上述光纤端面机械切割或抛光为整齐端面，所述光纤入射端外伸介质平板边沿的长度为1-5mm。

上述的介质平板的六个面和L形凹槽内表面抛光处理为光洁面。

上述的光纤为大数值孔径光纤。

上述的介质平板材料为石英、硅或碳化硅；所述的光纤为石英光纤、红外光纤或紫外光纤。

一种应用上述高功率激光光束取样器的高功率激光光束测量系统，其特殊之处在于：包括高功率激光光束取样器和光衰减及探测单元；所述光衰减及探测单元包括多个探测器、信号处理电路和数据采集处理单元；所述高功率激光光束取样器的光纤输出端与探测器相连；所述探测器产生的信号经信号处理电路处理后送入数据采集处理单元。

上述光衰减及探测单元包括衰减器，所述衰减器包括吸收介质膜衰减器或者光纤衰减器，其设置在光纤输出端和探测器之间。

本发明具有的有益效果有：

1、本发明的取样器和测量系统，采用对激光高透射的介质和光纤材料，将绝大部分激光透射，只对少部分光束进行取样，降低了系统承受激光辐照的要求，使其可用于高功率和高能量激光的取样和测量；同时后续的光束可以再次利用，进行激光辐照效应实验。

2、本发明中光纤采用去除涂敷层的裸光纤，取样器采用介质板叠加并压紧光纤的方法或者将光纤固定在取样器偏离激光束的位置，避免了涂覆材料或胶等有机物对激光的吸收导致取样器的损坏，大大提高了取样器的抗激光损伤阈值，使其可用于高功率和高能量激光的测量。

3、本发明采用光纤排布在介质平板上，由于光纤的芯径较小，且介质平板可以加工为薄板，薄板之间的叠加可实现空间分辨率较高的光束取样和测量。

4、本发明采用光纤作为高功率激光的取样通道，可采用光纤衰减器实现光强衰减，使得测量系统结构紧凑并可靠联接。

5、本发明采用大数值孔径光纤取样，降低了取样器和测量系统的角度敏感性，降低了取样器和激光入射方向的角度摆放要求，扩大了其适用范围。

6、本发明光纤阵列取样器中，光纤端面采用机械切割方式或抛光的光纤端面处理方法，保证了各取样通道一致性。

7、本发明的介质平板的六个面和L形凹槽内表面抛光处理为光洁面，提高了器件的抗激光辐照能力。

附图说明

图1为本发明高功率激光光束取样器结构示意图；

图2为本发明取样器介质平板结构及光纤松固定时的固定点位置示意图；

图3为本发明光纤排布及光纤紧固定时压紧示意图；

其中：1-介质平板；2-L形凹槽；3-光纤；4-光衰减及探测单元；5-激光束；6-刻划面；7-底面；8-固定点。

具体实施方式

如图1所示，高功率激光光束取样器包括多根取样光纤3和多个沿激光入射方向平行且层叠排布的介质平板1，介质平板1的一个面为刻划面6，首先将平板的各个面进行抛光后，依据光纤3尺寸设计L形凹槽2的尺寸，并在平板抛光面上刻划L形凹槽，L形凹槽内的横截面可以为V形、U型或其他形状，L形凹槽的一条边与入射激光方向相同，另一条边则垂直于激光束入射方向，两条边之间圆弧过渡，L形凹槽间距和圆弧过渡圆角视取样器所要达到的空间分辨率和光纤的具体参数而定；也可以采用介质平板1的两个面上均加工有L形凹槽，并将相邻介质平板1的两个L形凹槽拼接成放置光纤的L形凹槽。

通常情况下L形凹槽为等间距排列，这样可实现均匀的空间分辨取样。光纤采用去除涂敷层的裸光纤，正对激光入射方向实现光束取样的一端为入射端，另外一端为输出端，输出端接光衰减及探测单元，用于激光参数的测量。

光纤和介质平板均选用对测量激光高透射的材料，同时介质平板的六个面和L形凹槽内表面抛光处理为光洁面，L形凹槽刻划完成后对L形凹槽内表面进行光学抛光处理，消除细小缺陷提高石英平板抗激光损伤阈值。因此本取样器对激光束5的吸收比较小，降低了系统承受激光辐照的要求，使其可用于高功率和高能量激光的取样和测量；同时后续的光束可以再次利用，进行激光辐照效应实验。

控制L形凹槽横截面的宽度和深度可以实现光纤的紧固定、松固定。光纤紧固定时，L形凹槽横截面尺度大于光纤直径，且光纤放置在L形凹槽内时，光纤的高度不低于L形凹槽上沿，光纤依靠相邻的介质平板被压紧固定在L形凹槽内，如图3所示。这种压紧的方法的优点在于光纤在L形凹槽位置固定，增加了取样的可靠性。

光纤松固定时，L形凹槽横截面尺度大于光纤直径；且光纤放置在L形凹槽内时，光纤的高度低于L形凹槽上沿，光纤可移动穿入L形凹槽后，输出端固定在L形凹槽的边沿上或介质平板的侧面上。如图2所示，固定的方法可采用胶粘接、压紧等方法。松固定的优点在于，其装配工艺简单，可以在所有的介质平板固定完毕后将光纤穿入L形凹槽，然后在光纤输出端L形凹槽外沿处进行粘结固定。

无论是松固定还是紧固定，光纤的入射端端面需要进行处理，常采用机械切割或者研磨抛光的方法，使得光纤端面整齐，避免端面微观结构不佳时引起光纤损耗参数的不一致，同时可以提高光纤的抗激光辐照阈值。光纤可以采用与介质平板边沿基本平齐的摆放方式，也可以使得光纤入射端外伸介质平板边沿，其长度为1-5mm，这样在光纤端面污染时便于清洁。

介质平板材料可根据激光参数特性，选择透过率较佳的石英、硅或碳化硅；同时光纤也可以根据相应的激光参数选择石英光纤、红外光纤或紫外光纤，通常情况下，光纤和介质材料对该波长激光的损耗系数优于0.5dB/m。上述光纤的芯径可采用单模或多模光纤，同时作为一种特例，光纤采用大数值孔径光纤取样，可以使得在较大角度范围内光纤入射激光均可以耦合进入光纤波导，降低了取样器和测量系统的角度敏感性，降低了取样器和激光入射方向的角度摆放要求。

将剥敷、切割处理完毕后的光纤依次排布在石英平板L形凹槽内，并与另一块石英平板未刻划面6叠加在一起，重复上述操作即可形成如图1所示的光纤阵列取样器。

将上述光取样器结合多个探测器、信号处理电路和数据采集处理单元，可以组成高功率激光光束取样器的高功率激光光束测量系统，其中高功率激光光束取样器的光纤输出端与所述探测器相连；探测器产生的信号经信号处理电路处理后由数据采集处理单元记录并处理，实现对高功率激光光斑分布的高空间分辨率的测量。

在测量系统中根据激光信号的强弱、光纤芯径的大小及探测器的饱和阈值情况，可以选择在光纤输出端之间和探测器之间安装衰减器，衰减器可以选用吸收介质膜衰减器、光纤衰减器等，衰减倍数由信号的强弱和探测器的参数而定。作为一种优选方式，可采用光纤衰减器实现光强衰减，使得整个取样器为全光纤结构，测量系统结构紧凑并可靠联接。

上述光纤阵列取样器在高功率激光功率密度时空分布测量装置中得到成功应用，在该测量装置中，介质平板采用高纯石英材料制成，光纤为石英光纤、并与多个探测器构成的光电探测器阵列、信号处理电路、多通道数据采集处理单元配合完成激光功率密度时空分布的测量，取样器对该波长激光的透过率大于90％，空间分辨率优于3mm×3mm，抗激光损伤阈值优于10000W/cm²。

Claims

1.一种高功率激光光束取样器，其特征在于：包括多根光纤和多个沿激光入射方向平行且层叠排布的介质平板；所述相邻介质平板间设置有多个并行排布的带圆弧过渡的L形凹槽；所述多根光纤分别设置在相应的L形凹槽内；所述光纤包括入射端和输出端，其入射端迎着激光入射方向，其输出端与取样器外部的探测器相连；所述光纤为去除涂敷层的裸光纤；所述的介质平板和光纤对激光高透射。

2.根据权利要求1所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的L形凹槽横截面为V形或U型，所述光纤在L形凹槽内的高度不低于L形凹槽上沿，所述光纤被相邻的介质平板压紧固定在L形凹槽内。

3.根据权利要求1所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的L形凹槽横截面为V形或U型，所述光纤在L形凹槽内的高度低于L形凹槽上沿，所述光纤的输出端固定在L形凹槽的边沿上或介质平板的侧面上。

4.根据权利要求1或2或3所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的L形凹槽在介质平板工作面上为等间距排列。

5.根据权利要求4所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述光纤端面机械切割或抛光为整齐端面，所述光纤入射端外伸介质平板边沿的长度为1-5mm。

6.根据权利要求5所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的介质平板的六个面和L形凹槽内表面抛光处理为光洁面。

7.根据权利要求6所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的光纤为大数值孔径光纤。

8.根据权利要求7所述的高功率激光光束取样器，其特征在于：所述的介质平板材料为石英、硅或碳化硅；所述的光纤为石英光纤、红外光纤或紫外光纤。

9.一种应用权利要求1所述高功率激光光束取样器的高功率激光光束测量系统，其特征在于：包括高功率激光光束取样器和光衰减及探测单元；所述光衰减及探测单元包括多个探测器、信号处理电路和数据采集处理单元；所述高功率激光光束取样器的光纤输出端与探测器相连；所述探测器产生的信号经信号处理电路处理后送入数据采集处理单元。

10.根据权利要求9所述的高功率激光光束测量系统，其特征在于：所述光衰减及探测单元包括衰减器，所述衰减器包括吸收介质膜衰减器或者光纤衰减器，其设置在光纤输出端和探测器之间。